一种基于相位补偿的旋转圆阵信源数估计系统及估计方法

1.本发明属于水声工程技术领域，具体地，涉及一种基于相位补偿的旋转圆阵信源数估计系统及估计方方法。


背景技术：

2.均匀圆阵具有360
°
无模糊的测向能力，因其自身尺寸小，易于安装等特点，在潜标探测平台中被广泛应用。在实际海洋环境中，受水流冲击影响，潜标平台会发生旋转运动，造成搭载圆阵的接收信号在空域上弥散，进而导致常规信源数估计算法过估计。
3.针对信源数估计，很多强大的稳健算法都是基于最小描述长度准则(mdl)，具有代表性的研究主要有：wax和kailath提出基于信息论准则的信源数检测方法，确定了mdl准则，基于mdl准则的方法不需要设置检测门限，当快拍数足够大时，可以得到无偏估计结果。
4.之后，在信息论准则基础上，wax和ziskind提出一种基于多维搜索的mdl方法对相干信源数进行估计。
5.athanasios和phillip研究了噪声与信号特征值差异和噪声特征值弥散对mdl方法的影响。
6.然而，以上信源数估计算法都是基于信号和噪声特征值展开研究，当基阵平台发生旋转运动，此类方法的性能甚至会恶化失效。


技术实现要素：

7.本发明针对上述圆阵导致的信源数过估计问题，根据圆阵相位模式空间和最小描述长度准则，重新构建了适于圆阵旋转情况下的信源数估计算法，提出了一种基于相位补偿的旋转圆阵信源数估计系统及估计方方法，以便充分获得信号的时间增益，提高信源数估计在圆阵旋转情况下的性能。
8.本发明通过以下技术方案实现：
9.一种基于相位补偿的旋转圆阵信源数估计方法：
10.所述方法具体包括以下步骤：
11.步骤1、构建时变相位补偿矩阵；
12.根据旋转圆阵的信号接收模型，结合圆阵相位模式空间的理论和时变量，构建时变相位补偿矩阵；
13.步骤2、对步骤1构建的时变相位补偿矩阵进行白化约束，使得变换后的噪声保持白化特性；
14.步骤3、采用补偿矩阵对接收数据进行处理；
15.根据步骤2白化约束后的时变相位补偿矩阵，对阵列接收数据进行处理，去除时变的影响；
16.步骤4、构建旋转补偿情况下的最小描述长度准则rcmdl，完成对旋转圆阵接收数据进行信源数估计。
17.进一步地，在步骤1中，
18.步骤1.1、建立旋转圆阵的信号接收模型，对于一个由m阵元组成的均匀圆阵，假设有p个远场窄带平面波信号从不同方向入射到该基阵，圆阵接收信号可表示为
19.x(t)＝a(φ-φ
t
)s(t)+n(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
20.其中s(t)＝[s1(t),s2(t),
…
,s
p
(t)]
t
表示信号向量，(
·
)
t
表示转置运算，n(t)是加性噪声；φ
t
是圆阵1号阵元相对大地正北方向随时间t变化的水平旋转方位，φ表示目标以地球正北方向为参考的水平方位集合{φ1,
···
，φ
p
}；
[0021]
阵列接收数据的协方差矩阵表示为
[0022][0023]
其中im表示m
×
m维单位矩阵，σ2表示噪声功率，rs(t)＝e[s(t)sh(t)]表示信号协方差矩阵；
[0024]
步骤1.2、根据圆阵相位模式空间的理论，得到第n阶归一化远场波束激励为：
[0025][0026]
令k≈k0r，当|n|≤k并且2k＜m时，公式成立；
[0027]
第n阶归一化相位模态的波束权值向量表示为
[0028][0029]
时变相位补偿矩阵表示为
[0030][0031]
其中
[0032][0033]
其中，b
t
是m
×
(2k+1)维矩阵。
[0034]
进一步地，在步骤2中，
[0035]
步骤2.1、b
t
中的对角线元素幅度大小不一，对变换矩阵进行白化约束减少噪声影响，即
[0036][0037]
步骤2.2、白化后的变换矩阵表示为
[0038][0039]
进一步地，在步骤3中，
[0040]
步骤3.1、根据变换矩阵β
t
，将其作用于接收数据可以得到
[0041][0042]
从公式可以看出，经过变换矩阵处理信号中的时变量已经被去除；
[0043]
步骤3.2、根据步骤3.1得到经过变换矩阵处理后的协方差矩阵
[0044][0045]
其中，ry(t)维数为(2k+1)
×
(2k+1).
[0046]
进一步地，在步骤4中，
[0047]
自由度参数θ
(k)
＝(λ1,
…
,λk,σ2,u1,...,uk)，k为待估计的信源数，似然函数表示为
[0048][0049]
其中，表示似然函数；进而可以得到旋转补偿情况下的最小描述长度准则
[0050][0051]
其中，d
bmdl
为估计的信源数，l表示采样的时间快拍数。
[0052]
一种基于相位补偿的旋转圆阵信源数估计系统：
[0053]
所述系统包括矩阵构建模块、白化处理模块、数据处理模块和信源数估计模块：
[0054]
矩阵构建模块，用于根据旋转圆阵的信号接收模型，结合圆阵相位模式空间的理论和时变量，构建时变相位补偿矩阵；
[0055]
白化处理模块，用于对构建的时变相位补偿矩阵进行白化约束，使得变换后的噪声保持白化特性；
[0056]
数据处理模块，用于对接收数据进行处理；根据白化约束后的时变相位补偿矩阵，对阵列接收数据进行处理，去除时变的影响；
[0057]
信源数估计模块，用于构建旋转补偿情况下的最小描述长度准则rcmdl，完成对旋转圆阵接收数据进行信源数估计。
[0058]
进一步地，
[0059]
在所述矩阵构建模块中还包括信号接收模块和时变相位补偿模块；
[0060]
所述信号接收模块，用于建立旋转圆阵的信号接收模型，对于一个由m阵元组成的均匀圆阵，假设有p个远场窄带平面波信号从不同方向入射到该基阵，圆阵接收信号可表示为
[0061]
x(t)＝a(φ-φ
t
)s(t)+n(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0062]
其中s(t)＝[s1(t),s2(t),
…
,s
p
(t)]
t
表示信号向量，(
·
)
t
表示转置运算，n(t)是加性噪声；φ
t
是圆阵1号阵元相对大地正北方向随时间t变化的水平旋转方位，φ表示目标以地球正北方向为参考的水平方位集合{φ1,
···
，φ
p
}；
[0063]
阵列接收数据的协方差矩阵表示为
[0064][0065]
其中im表示m
×
m维单位矩阵，σ2表示噪声功率，rs(t)＝e[s(t)sh(t)]表示信号协方差矩阵；
[0066]
所述时变相位补偿模块，用于根据圆阵相位模式空间的理论，得到第n阶归一化远场波束激励为：
[0067][0068]
令k≈k0r，当|n|≤k并且2k＜m时，公式成立；
[0069]
第n阶归一化相位模态的波束权值向量表示为
[0070][0071]
时变相位补偿矩阵表示为
[0072][0073]
其中
[0074][0075]
其中，b
t
是m
×
(2k+1)维矩阵。
[0076]
进一步地，所述白化处理模块还包括约束模块和矩阵变换模块；
[0077]
所述约束模块，用于对变换矩阵进行白化约束，减少因为b
t
中的对角线元素幅度大小不一导致的噪声影响，即
[0078][0079]
所述矩阵变换模块用于将白化后的变换矩阵表示：
[0080][0081][0082]
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
[0083]
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
[0084]
本发明有益效果
[0085]
本发明保障信号空域聚焦的同时，抑制了相位模态变换导致的噪声非均匀性，实现圆阵旋转情况下的弱信源数估计，还可应用于圆阵信号处理、时变阵信源数估计等领域；
[0086]
(1)在平台旋转情况下，本发明方法通过相位模态变换在模态域进行相位补偿，可以实现信号的空域聚焦；
[0087]
(2)与常规的mdl准则相比，本发明根据矩阵变换重新构建的rcmdl准则，对圆阵旋转接收数据具有更加优异的信源数估计性能。
附图说明
[0088]
图1为一种基于模态相位变换的旋转补偿技术流程图；
[0089]
图2为估计的常规空间谱峰值随时间快拍变化结果；
[0090]
图3为本发明所提方法的正确估计概率随snr变化结果。
具体实施方式
[0091]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0092]
结合图1至图3。本发明所设计的基于模态相位变换的旋转补偿技术流程图如图1所示。
[0093]
所述方法具体包括以下步骤：
[0094]
步骤1、设定旋转时变角，构建时变相位补偿矩阵；
[0095]
根据旋转圆阵的信号接收模型，结合圆阵相位模式空间的理论和时变量，构建时变相位补偿矩阵；
[0096]
步骤2、对步骤1构建的时变相位补偿矩阵进行白化约束，使得变换后的噪声保持白化特性；
[0097]
步骤3、采用补偿矩阵对接收数据进行处理；
[0098]
根据步骤2白化约束后的时变相位补偿矩阵，对阵列接收数据进行处理，去除时变的影响；
[0099]
步骤4、构建旋转补偿情况下的最小描述长度准则rcmdl，完成对旋转圆阵接收数据进行信源数估计。
[0100]
在步骤1中，
[0101]
步骤1.1、建立旋转圆阵的信号接收模型，对于一个由m阵元组成的均匀圆阵，假设有p个远场窄带平面波信号从不同方向入射到该基阵，圆阵接收信号可
[0102]
表示为
[0103]
x(t)＝a(φ-φ
t
)s(t)+n(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0104]
其中s(t)＝[s1(t),s2(t),
…
,s
p
(t)]
t
表示信号向量，(
·
)
t
表示转置运算，n(t)是加性噪声；φ
t
是圆阵1号阵元相对大地正北方向随时间t变化的水平旋转方位，φ表示目标以地球正北方向为参考的水平方位集合{φ1,
···
，φ
p
}；
[0105]
阵列接收数据的协方差矩阵表示为
[0106][0107]
其中im表示m
×
m维单位矩阵，σ2表示噪声功率，rs(t)＝e[s(t)sh(t)]表示信号协方差矩阵；
[0108]
从公式可以看出，阵列接收数据的协方差中含有时变的阵列旋转信息，当对其进行多快拍处理时，时变旋转运动会对信源数估计造成影响；
[0109]
步骤1.2、根据圆阵相位模式空间的理论，得到第n阶归一化远场波束激励为：
[0110][0111]
令k≈k0r，当|n|≤k并且2k＜m时，公式成立；
[0112]
第n阶归一化相位模态的波束权值向量表示为
[0113][0114]
时变相位补偿矩阵表示为
[0115][0116]
其中
[0117][0118]
其中，b
t
是m
×
(2k+1)维矩阵。
[0119]
在步骤2中，
[0120]
首先，b
t
中的对角线元素幅度大小不一，直接采用b
t
对数据进行预处理，会导致噪声不均匀，对信源数估计造成影响，因此，需要对变换矩阵进行白化约束，
[0121]
步骤2.1、b
t
中的对角线元素幅度大小不一，对变换矩阵进行白化约束减少噪声影响，即
[0122][0123]
步骤2.2、白化后的变换矩阵表示为
[0124][0125]
在步骤3中，
[0126]
步骤3.1、根据变换矩阵β
t
，将其作用于接收数据可以得到
[0127][0128]
从公式可以看出，经过变换矩阵处理信号中的时变量已经被去除；
[0129]
步骤3.2、根据步骤3.1得到经过变换矩阵处理后的协方差矩阵
[0130][0131]
其中，ry(t)维数为(2k+1)
×
(2k+1).
[0132]
在步骤4中，
[0133]
自由度参数θ
(k)
＝(λ1,
…
,λk,σ2,u1,...,uk)，k为待估计的信源数，似然函数表示为
[0134][0135]
其中，表示似然函数；进而可以得到旋转补偿情况下的最小描述长度准则
[0136][0137]
其中，d
bmdl
为估计的信源数，l表示采样的时间快拍数。
[0138]
一种基于相位补偿的旋转圆阵信源数估计系统：
[0139]
所述系统包括矩阵构建模块、白化处理模块、数据处理模块和信源数估计模块：
[0140]
矩阵构建模块，用于根据旋转圆阵的信号接收模型，结合圆阵相位模式空间的理论和时变量，构建时变相位补偿矩阵；
[0141]
白化处理模块，用于对构建的时变相位补偿矩阵进行白化约束，使得变换后的噪声保持白化特性；
[0142]
数据处理模块，用于对接收数据进行处理；根据白化约束后的时变相位补偿矩阵，对阵列接收数据进行处理，去除时变的影响；
[0143]
信源数估计模块，用于构建旋转补偿情况下的最小描述长度准则rcmdl，完成对旋转圆阵接收数据进行信源数估计。
[0144]
在所述矩阵构建模块中还包括信号接收模块和时变相位补偿模块；
[0145]
所述信号接收模块，用于建立旋转圆阵的信号接收模型，对于一个由m阵元组成的均匀圆阵，假设有p个远场窄带平面波信号从不同方向入射到该基阵，圆阵接收信号可表示为
[0146]
x(t)＝a(φ-φ
t
)s(t)+n(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0147]
其中s(t)＝[s1(t),s2(t),
…
,s
p
(t)]
t
表示信号向量，(
·
)
t
表示转置运算，n(t)是加性噪声；φ
t
是圆阵1号阵元相对大地正北方向随时间t变化的水平旋转方位，φ表示目标以地球正北方向为参考的水平方位集合{φ1,
···
，φ
p
}；
[0148]
阵列接收数据的协方差矩阵表示为
[0149][0150]
其中im表示m
×
m维单位矩阵，σ2表示噪声功率，rs(t)＝e[s(t)sh(t)]表示信号协方差矩阵；
[0151]
所述时变相位补偿模块，用于根据圆阵相位模式空间的理论，得到第n阶归一化远场波束激励为：
[0152][0153]
令k≈k0r，当|n|≤k并且2k＜m时，公式成立；
[0154]
第n阶归一化相位模态的波束权值向量表示为
[0155][0156]
时变相位补偿矩阵表示为
[0157][0158]
其中
[0159][0160]
其中，b
t
是m
×
(2k+1)维矩阵。
[0161]
所述白化处理模块还包括约束模块和矩阵变换模块；
[0162]
所述约束模块，用于对变换矩阵进行白化约束，减少因为b
t
中的对角线元素幅度大小不一导致的噪声影响，即
[0163][0164]
所述矩阵变换模块用于将白化后的变换矩阵表示：
[0165][0166]
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
[0167]
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
[0168]
实施算例：
[0169]
下面采用仿真数据对本发明所设计的基于相位补偿的旋转圆阵信源数估计方法进行验证，并对结果进行说明。
[0170]
仿真实验考虑一条由12个阵元组成的均匀圆阵，圆阵半径为远场窄带目标信号入射波长的一半，每个阵元的噪声为加性高斯白噪声。圆阵时变量φ
t
从-50
°
到50
°
变化，时间快拍数为500，每个时间快拍变化0.2
°
。
[0171]
第一个仿真实验主要验证本发明对信号的空域聚焦作用。信号的方位设置为φ＝100
°
，信噪比设置为20db。图2仿真了不同单个时间快拍序列下的原接收数据的常规空间谱峰值和经过模式相位补偿数据的常规空间谱峰值随快拍变化的结果。
[0172]
从图2可以看出原接收数据由于圆阵时变量φ
t
的影响，单个快拍的目标方位一直在改变，而经过模态相位补偿后的数据，消除了时变量φ
t
的影响，每个快拍估计的目标方位大致稳定在100
°
附近。
[0173]
第二个仿真实验主要验证本发明对圆阵旋转接收数据具有更加优异的信源数估计性能。信号的方位设置为φ1＝30
°
和φ2＝100
°
，每个snr对应的检测概率是蒙特卡洛循环500次的结果，图3仿真了随snr变化，传统mdl(cmdl)和经过本发明旋转补偿的mdl(rcmdl)在最大相位模态k为2，3，4时的检测概率曲线图。
[0174]
从图3可以看出，cmdl在低snr区间的一小段有较高检测概率，在其他snr区间的检测概率很低；在高snr区间，正确检测率甚至为0。然而，本发明所提的rcmdl算法在snr高于-10db之后可以准确估计信源数，其中，最大相位模态k＝2优于k＝3和k＝4的性能。
[0175]
以上对本发明所提出的一种基于相位补偿的旋转圆阵信源数估计方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。